本發(fā)明涉及一種采用高能離子輻照電離損傷的晶體材料超精密加工新方法。

背景技術：

超精密機械加工是先進制造的核心技術之一，對航空航天、國防建設以及國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。超精密加工涉及的材料種類繁多，包括金屬、半導體、陶瓷等，其中許多晶體材料由于獨特的物理或化學性質(zhì)而具有廣闊的應用前景。然而絕大多數(shù)非金屬單晶屬于脆性材料，在加工過程中極易發(fā)生表面破碎從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。因此，提高表面質(zhì)量是晶體材料超精密加工的關鍵問題。

磨削是加工脆性材料的常用方法之一，但其產(chǎn)生的表面損傷仍需要通過拋光予以最終去除，增加了工藝的復雜性；此外，磨削方法不適用于復雜面形(如光學自由曲面)的超精密加工，而金剛石車削技術成為了更為理想的解決方案。即便如此，晶體車削仍然面臨加工表面破碎及刀具磨損嚴重的問題，從而增加制造成本。

離子束輻照是被廣泛應用的材料表面改性技術，能夠軟化晶體材料表層從而改善其加工性能。但是現(xiàn)有技術的缺陷是軟化改性層厚度過小，難以滿足超精密加工的要求。這一問題的根源在于已有技術的設計理念是通過入射離子與脆性材料的原子核相互碰撞來進行表面軟化。這一物理過程只有在接近入射離子的射程末端才能達到理想的改性效果，而射程末端到表面范圍內(nèi)的材料軟化效果不好。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種通過一次性離子輻照制備大厚度改性層的方法，用于晶體材料超精密機械加工，通過利用入射離子與材料原子間的電離作用，提高表層的改性效果。技術方案如下：

一種基于高能離子輻照電離損傷的晶體材料超精密加工方法，包括下列步驟：

(1)根據(jù)待加工面形，確定離子改性層的位置與厚度；

(2)以電離能損分布作為參考量，采用數(shù)值方法模擬不同種類離子在不同能量下的離子輻照過程，選擇出較優(yōu)的參數(shù)組合用于注入；

(3)根據(jù)設計的注入?yún)?shù)采用級聯(lián)加速器進行高能離子輻照表面改性；

(4)將改性后的材料裝卡到超精密車床主軸上，經(jīng)調(diào)整后，進行超精密切削。

優(yōu)選地，所述的晶體材料指單晶硅，離子輻照的表面是(100)晶面，注入?yún)?shù)為氟離子，能量6mev，劑量10¹⁵cm^-2。表面改性層和超精密切削深度均大于1μm。數(shù)值方法為蒙特卡洛方法。

本發(fā)明針對晶體材料超精密加工時表面破碎的問題，與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點：

(1)利用離子束與材料的電離相互作用，保證了晶體表層具有較高的軟化效果，能夠在一次離子輻照過程中形成微米級厚度的表面改性層，進而有效降低材料脆性與機械強度，提高加工表面質(zhì)量，并減輕刀具磨損。

(2)通過靈活控制離子輻照參數(shù)，可將本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術有效結(jié)合，進一步降低離子輻照劑量，減少加工成本，與超精密加工工藝具有更好的相容性。

附圖說明

圖1離子輻照表面改性示意圖，(a)脆性材料加工過程中容易發(fā)生斷裂而造成表面損傷示意圖。(b)和(c)分別為高能量離子輻照脆性材料表面及沿離子運動軌跡發(fā)生電離作用示意圖。(d)加工處于較厚的表面改性層內(nèi)時可有效抑制工件碎裂示意圖。

圖2離子輻照的數(shù)值模擬。

具體實施方式

晶體材料普遍具有脆性，故在超精密機械加工中容易發(fā)生斷裂而造成表面損傷(見圖1a)。當采用具有兆電子伏級高能量離子輻照材料表面時時，沿離子運動軌跡會發(fā)生電離作用，如圖1(b)、(c)所示。當電離強度足夠高時，工件材料的局部呈現(xiàn)帶電狀態(tài)，晶格原子在庫倫力作用下相互排斥，致使局部結(jié)構被破壞，實現(xiàn)表面軟化。電離作用在表面附近具有很高強度，且在微米級的深度范圍內(nèi)下降緩慢(見圖2)。當加工處于較厚的表面改性層內(nèi)時，便可有效抑制工件碎裂，如圖1(d)。

高能離子注入采用級聯(lián)加速器完成，對于特定的離子源，通過控制加速電壓與注入劑量就能夠?qū)崿F(xiàn)不同厚度與損傷程度的表面改性層。該部分是材料科學與離子注入技術的基本知識，通過查閱相關參考文獻獲得[1,2]。

本發(fā)明具體實施方式如下：

1.根據(jù)待加工面形，確定離子改性層的位置與厚度；

2.高能離子注入采用級聯(lián)加速器完成，采用數(shù)值方法模擬不同種類離子在不同能量下的離子輻照過程，選擇出較優(yōu)的參數(shù)組合用于注入；

3.根據(jù)設計的注入?yún)?shù)進行高能離子輻照表面改性；

4.將改性后的材料裝卡到超精密車床主軸上，經(jīng)調(diào)整后，進行超精密切削實驗，同時進行未注入材料的對比實驗；

5.對已加工表面形貌、材料的微觀晶體結(jié)構以及納米力學性能進行測試，以表征離子束輻照的改性效果。

具體實施方式中提及的晶體材料是指單晶硅，離子輻照面是(100)晶面。

具體實施方式中提及的超精密切削深度一般大于1μm。

具體實施方式中提及的數(shù)值模擬為蒙特卡洛方法(見圖2)，采用srim軟件實現(xiàn)，并以電離能損分布作為參考量。本例中的注入?yún)?shù)為氟離子，6mev，10¹⁵cm^-2。

具體實施方式中提及的表面形貌通過激光共聚焦顯微鏡或掃描電鏡觀測，微觀晶體結(jié)構通過拉曼光譜和透射電鏡進行表征，納米力學性能通過納米壓痕技術或切削實驗進行測量。

參考文獻

[1]pelazl,marquésla,barbollaj.ion-beam-inducedamorphizationandrecrystallizationinsilicon.journalofappliedphysics2004；96(11)；5947-76.

[2]liz,chend,wangj,etal.moleculardynamicssimulationofcoulombexplosionandstructuralchangesinsilicon.nuclearinstrumentsandmethodsinphysicsresearchsectionb:beaminteractionswithmaterialsandatoms,2013,307:86-88。

技術特征：

技術總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于高能離子輻照電離損傷的晶體材料超精密加工方法，包括：(1)根據(jù)待加工面形，確定離子改性層的位置與厚度；(2)以電離能損分布作為參考量，采用數(shù)值方法模擬不同種類離子在不同能量下的離子輻照過程，選擇出較優(yōu)的參數(shù)組合用于注入；(3)根據(jù)設計的注入?yún)?shù)采用級聯(lián)加速器進行高能離子輻照表面改性；(4)將改性后的材料裝卡到超精密車床主軸上，經(jīng)調(diào)整后，進行超精密切削。

技術研發(fā)人員：房豐洲;王金石;張效棟
受保護的技術使用者：天津大學
技術研發(fā)日：2017.05.09
技術公布日：2017.08.15